§ 13. Халькогены. Сера

Определения и обозначения

Халькогены — элементы 16-й группы Периодической системы: кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий. Название переводят как «образователи руд»: соединения этих элементов часто входят в состав минералов. Понимание состава группы помогает предсказывать сходство свойств серы с другими элементами.

Сера — химический элемент 16-й группы, 3-го периода, с порядковым номером 16. Её химический знак — S, относительная атомная масса равна примерно 32. Знак S используют для обозначения атома или элемента, а формула S₈ показывает молекулярное строение простого вещества.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие вещества называют аллотропными модификациями. Это понятие объясняет, почему один и тот же элемент может образовывать вещества с разными цветом, прочностью, устойчивостью и температурой плавления.

У серы известны ромбическая, моноклинная и пластическая модификации. Первые две имеют кристаллическое строение, а пластическая сера состоит преимущественно из длинных цепочек атомов. Сравнение модификаций показывает связь между строением вещества и его физическими свойствами.

Как это устроено

На внешнем энергетическом уровне атома серы находятся шесть электронов: 3s²3p⁴. Поэтому до завершения внешнего слоя ей не хватает двух электронов, и в реакциях с активными металлами или водородом сера принимает их, проявляя степень окисления −2. Такое строение объясняет принадлежность серы к 16-й группе: у всех халькогенов на внешнем уровне шесть электронов.

В простом веществе степень окисления серы равна 0. Если сера соединяется с более электроотрицательным кислородом, электронная плотность смещается к кислороду, а степень окисления серы становится положительной: +4 в SO₂ и +6 в SO₃. Поэтому сера образует соединения и с металлами, и с водородом, и с кислородом, переходя между разными степенями окисления.

Ромбическая и моноклинная сера состоят из молекул S₈, в которых атомы образуют замкнутые кольца. Различие заключается в расположении этих молекул в кристаллической решётке: у ромбической модификации оно одно, у моноклинной — другое. Ниже 95,6 °C устойчивее ромбическая сера, а в интервале от 95,6 до 119,3 °C — моноклинная, поэтому при нагревании происходит переход одной формы в другую.

Пластическую серу получают, если расплавленную серу быстро вылить в холодную воду. Резкое охлаждение не позволяет молекулам S₈ выстроиться в обычную кристаллическую решётку, и образуются длинные цепочки атомов. Поэтому пластическая сера эластична, темнее и некоторое время не растворяется в сероуглероде, но постепенно превращается в более устойчивую ромбическую форму.

Сера — жёлтое твёрдое хрупкое вещество, плохой проводник электричества, почти нерастворимый в воде. Такие свойства позволяют ей сохраняться в самородном виде около вулканов и в подземных месторождениях; кроме того, она входит в состав сульфидных и сульфатных руд. Серу добывают из природных месторождений и получают переработкой серосодержащего сырья, а используют для производства серной кислоты, резины, спичек, лекарств и средств защиты растений.

Сравнение аллотропных модификаций серы

Таблицу удобно читать по строкам, если нужно сравнить одно свойство всех модификаций. По столбцам можно составить целостное описание каждой формы серы. Особенно важны строки о строении и устойчивости: именно они объясняют различия внешнего вида и физических свойств.

Разбор задач

1. Положение серы и её степени окисления

Условие: определить группу и период серы, число электронов на внешнем уровне и характерные степени окисления.

1. Порядковый номер серы равен 16, поэтому её электронная схема по слоям — 2, 8, 6.
2. Шесть электронов на внешнем уровне указывают на 16-ю группу. Три занятых электронных слоя означают 3-й период.
3. В простом веществе степень окисления равна 0, а основные степени окисления в соединениях — −2, +4 и +6.

Ответ: сера находится в 16-й группе и 3-м периоде; на внешнем уровне шесть электронов, характерные степени окисления — −2, +4 и +6.

2. Реакции с железом, водородом и кислородом

Условие: составить уравнения реакций и определить окислитель и восстановитель.

1. С железом: Fe + S → FeS. Железо повышает степень окисления от 0 до +2, а сера понижает её от 0 до −2; значит, Fe — восстановитель, S — окислитель.
2. С водородом: H₂ + S → H₂S при нагревании. Водород окисляется от 0 до +1, сера восстанавливается до −2; H₂ — восстановитель, S — окислитель.
3. С кислородом: S + O₂ → SO₂ при горении. Сера повышает степень окисления от 0 до +4, кислород понижает её от 0 до −2; S — восстановитель, O₂ — окислитель.

Ответ: уравнения составлены с учётом условий, а роль вещества определяется по изменению степени окисления.

3. Расчёт по реакции горения

Условие: определить массу серы для получения 64 г SO₂ и объём этого газа при н. у.

1. Записываем уравнение: S + O₂ → SO₂. По уравнению 1 моль S даёт 1 моль SO₂.
2. Находим количество SO₂: n(SO₂) = 64 г : 64 г/моль = 1 моль. Значит, потребуется 1 моль серы.
3. Масса серы: m(S) = 1 моль · 32 г/моль = 32 г. Объём газа при н. у.: V(SO₂) = 1 моль · 22,4 л/моль = 22,4 л.

Ответ: потребуется 32 г серы, образуется 22,4 л диоксида серы при нормальных условиях.

Типичные ошибки

Ошибка: считать ромбическую, моноклинную и пластическую серу разными химическими элементами. Их принимают за разные элементы из-за различий во внешнем виде и свойствах. Проверка: у всех форм одинаковый химический состав, это модификации одного элемента S.

Ошибка: считать, что сера всегда имеет степень окисления −2. Так бывает в сульфидах и сероводороде, но в SO₂ и SO₃ сера имеет соответственно +4 и +6. Проверяйте степень окисления по формуле соединения и правилам электронейтральности.

Ошибка: записывать молекулярную формулу простого вещества только как S. Символ S обозначает элемент или один атом, а молекула обычной серы имеет состав S₈. Сначала уточните, говорите ли вы об элементе, атоме или простом веществе.

Ошибка: неверно составлять реакции серы с металлами и кислородом. Причины — пропуск условий, неправильные индексы или выбор продукта; например, при горении обычно образуется SO₂. Проверьте состав продукта, расставьте коэффициенты и сравните число атомов слева и справа.

Связь с другими темами

До изучения серы нужно знать строение атома, устройство Периодической системы, группы и периоды, валентность и степень окисления. Эти знания позволяют объяснить свойства халькогенов, а не просто запомнить их.

Тема пригодится при изучении сероводорода, оксидов серы, серной кислоты и окислительно-восстановительных реакций. Изменение степеней окисления помогает определять окислитель и восстановитель.

Практическое значение серы связано с производством серной кислоты, резины, спичек, лекарственных препаратов и средств защиты растений. Поэтому свойства элемента рассматривают не только в лаборатории, но и в промышленности.

Что запомнить

• Халькогены — элементы 16-й группы Периодической системы.
• Сера имеет химический знак S и порядковый номер 16.
• Атом серы содержит шесть электронов на внешнем энергетическом уровне.
• Сера образует ромбическую, моноклинную и пластическую аллотропные модификации.
• Наиболее устойчивая при комнатной температуре модификация — ромбическая сера.
• Сера реагирует с металлами, водородом и кислородом, проявляя окислительные и восстановительные свойства.
• Основные степени окисления серы в соединениях: −2, +4 и +6.